“AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”
CURSO
:
OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS.
DOCENTE
:
MIÑANO CALDERON, BENIGNO.
FACULTAD
:
INGENIERÍA.
ESCUELA
:
INGENIERÍA INDUSTRIAL
CICLO
:
VI
INTEGRANTES
:
AÑO
:
ALEGRE HINOSTROSA, FRANKLYN. BLAS TONGOMBOL LUÍS ALBERTO. CORTES VILCHES, GIAN CARLOS. GARCIA MORENO, JUAN. GAYOSO OLIVERA, JAIME. GURRIONERO PAULO MILUTINOVICH ESCARATE, ZDORKA. PARDO ARTEAGA, ERASMO. VALDIVIEZO LA ROSA, ANDRES MARVIN. VILLACORTA SIFUENTES, VICTOR.
PROBLEMA N°1: En un horno se pretende utilizar gas metano (CH4) puro como combustible utilizando un exceso de aire de combustión del 40 %. Se dispone de los siguientes datos: - ΔHf (J/mol): CO2(g)=-393520, CH4(g)=-74850, H2O(g)=-241820, H2O(l)=-285830 - Capacidades caloríficas a presión constante en KJ/(Kmol*K): Cp(CO2)=40.1, Cp(O2)=30.0, Cp(N2)=29.2, Cp(H2O)=30.9 - Temperatura ambiente TA=15°C. - Temperatura de humos a chimenea 160ºC - Calor específico de humos (promedio) Ce=1.015KJ/ (kg*K). - Peso molecular del aire: 28.9 g/mol, Densidad del aire: 1.293 kg/m3 - Se desprecia la humedad del aire Se desea saber: a) Poder calorífico superior e inferior del gas metano en KJ/kg. b) Consumo de combustible en kg/s y aire en m3/s para un aporte de calor de 104 KJ/s. c) Rendimiento calorífico de la instalación. Solución: CO2 (g) H2O (vapor) O2 N2
C CH4 (g)
HORNO Aire Seco O2 = 21% N2 = 79% Exceso: 40%
Ingresan Rx: ∆H ̇
1CH4 -74850
+
2O2
Salen 1CO2 -393520
∆H ̇= [-393520 + 2(-241820)] – [-74850] ∆H ̇= -877160 + 74850 PCI ∆H ̇= -802.31 KJ/mol
+
∆H ̇= ̇
2H2O ……………………. + Calor -241820
∑ ∑
(negativo por ser exotérmico)
PCI= PCS – (597*G) Donde: - 597: Calor de Condensación del H 2O a 0oC (Kcal/Kg) 597Kcal * 4.18 KJ * 16 Kg = 39927.36 KJ/mol 1Kcal - G: Porcentaje del H2O formado por la combustión del Hidrógeno más la humedad propia del combustible:
G= (A*%) + H2O
Donde: A: Kg de H2O que se forman al oxidar un Kg de Hidrógeno. %: Porcentaje de impurezas que puede tener el Hidrógeno en el combustible; pero debido a que es un gas metano puro, no se considera. PCS= PCI + 39927.36 KJ/mol PCS= -802.31 KJ/mol+39927.36 KJ/mol PCS= 39125.05 KJ/mol Respuesta (a):
PCI= -802.31 KJ/mol
Base de Cálculo: 100 kgmol/s de CH4: Rx: 1CH4 + 2O2 1CO2 + 1kgmol/s 2kgmol/s 1kgmol/s 100kgmol/s 200kgmol/s 100kgmol/s
X
y
PCS= 39125.05 KJ/mol
2H2O 2kgmol/s 200kgmol/s ∆H ̇=-80231KJ/mol
……………………………………………………………..
Combustible (CH4): 100Kgmol/sCH4 X Kgmol/sCH4
Q=-10000KJ/s
-80231 KJ -10000 KJ/s
X= 100*10000 = 12.46 * 16 Kg X= 199.36 Kg/s 80231 1 O2 Necesario: 12.46 1 2 (necesario o teórico) = 24.92Kmol/s de O2
Aire = O2 Exceso 0.21
O2 Exceso= 1.4*O2 necesario O2 Exceso= 1.4*24.92 O2 Exceso= 34.89 Kgmol/s de O2
Aire = 34.89 Kgmol/s 0.21 (Aire seco) Aire = 166.14 Kgmol/s ;
1.2Kg/m3
V= 138.45m3/s
Respuesta (b): Consumo de Combustible: X= 199.36 Kg/s Consumo del aire: V= 138.45m3/s
(energía útil)
Rendimiento Calorífico de la Instalación:
Q= m*Cp*∆T Q= m*Cp*(160oC – 15oC)
Q= m*Cp*(145oK)
[( ) ( ) ( ) ( )]
Q= 6.432 Kg/s K x 145 K = 932.64 Kg/s
Respuesta (c) = 86.05 %
HORNO
( )
PROBLEMA N° 4: Cuantos m3 de aire se necesitan para la combustión completa de una tonelada de carbón. Se supondrá que el aire contiene 1/5 de su volumen en oxigeno Solución:
C
+ O2
CO2
1Mol de 1Mol de carbono oxigeno
22,4 Lt. De oxigeno
12g. C
22,4 Lt. O
106 g. C
X Lt. O
X = 106 g. C * 22,4 Lt. O 12 g. C X = 1,87 *106 Lt. O. 6
V aire = V O2 * 5 = 9.35 *10 Lt. Aire.
V aire = 9350 m3
1 m3 103 Lt.
Dato teórico
PROBLEMA N° 7: Un horno quema carbón de composición: C = 87%, H = 5%, O 2 = 1%, S = 1%, N2 = 1%, cenizas = 5%. El análisis de los humos secos producidos da: CO 2 = 14.8%, SO2 = 0.1%, O2 = 4.1%, N2 = 81%. Calcular el exceso de aire utilizado y el volumen de los humos producidos sabiendo que salen a una temperatura de 250°C y a una presión de 730 mm Hg en la combustión de 1 TN de carbón. Solución: C= 87% H2= 5% S= 1% N2= 1% O2= 1% Cenizas=5%
CO2= 14.8% SO2= 0.1% O2= 4.1% N2= 81%
HORNO Aire seco (O2, N2)
Entran
Salen
Base de Cálculo: 1000 kg de Carbón C= 870kg H2= 50kg O2= 10kg S= 10Kg N2= 10kg Cenizas= 50Kg Reacción 1C + 1O2 2H2 + 1O2 1S + 1O2 Total (Kg necesarios) A partir del CO2 en la salida: Salen 870kgCO2 X kgCO2
O2 870 25 10 905
1CO2 2H2O 1SO2
% Total (gases secos) 14.8 100
X=5878.4 kgCO2 gases secos
CO2 870 --------870
Salidas H2O ----50 ---50
SO2 -------10 10
O2 salida = (0.041) (5878.4)
O2 salida = 241 kg
O2 neto = O2 necesario - O2 propio del carbón
O2 neto = 905 – 10
O2 neto = 895 kg
O2 ingresa = O2 neto + O2 salida
O2 ingresa = 895 + 241
O2 exceso=
O2 ingresa
O2 ingresa = 1136 kg
* 100
O2 exceso = 26.93%
O2 neto
Aire en exceso = 26.93 * 100 21
Aire en exceso = 128.2%
Cálculo del volumen de los humos producidos:
T°= 250 +273 T°= 523 °K P= 730 mmHg *
R= 0.0821 (L*atm)/(mol*°K) R= 8.2x10-3 (m3*atm)/ (mol*°K) 1atm 760 mm Hg
P = 0.96 atm
V= (5878.4mol) (8.2x10-3(m3*atm)/(mol*°K)(523°K) 0.96atm Rpt:
Exceso de aire: 128 %
V= 262.6 m3 Volumen: V= 262.4 m3
PROBLEMA N° 10: Un horno se alimenta de un gas de coqueria con la siguiente composicion molar: H2 = 56%, CH4 = 28%, CO = 10%, CO2 = 5%, N2 = 1%. Se quema con un 50% en exceso de aire. El gas se introduce a 50°C y el aire a 125 °C. a) Escriba y ajuste las reacciones de combustión. b) Calcule la composición de la corriente de salida del horno. c) Calcule la máxima temperatura (temperatura adiabática) a que pueden salir los gases de combustión suponiendo que esta se completa.
COMPUESTO CH4 CO CO2 H2O
ENTALPIA DE FORMACIÓN A 25°C Kcal/mol -17.9 -26.4 -94.1 -57.8
Solución: H2= 56% CH4= 28% CO= 10% CO2= 5% N2=1%
HORNO Aire seco Exceso 50% (O2, N2)
CO2 H2O O2 N2
T2 = 125 °C Entran
Salen
T1 = 50 °C a. 1H2 56 Kg/mol
+
1/2O2 28 Kg/mol
CH4 28 Kg/mol
+
2 O2 56 Kg/mol
CO 10 Kg/mol
+
1/2O2 5 Kg/mol
(O2) requerido
89 Kg/mol
1 H2O 56 Kg/mol
CO2 + 2 H2O 28 Kg/mol 56 Kg/mol CO2 10 Kg/mol
(O2) entrante = 89 Kg/ mol * 1.5 = 133.5 Kg/ mol. Entrada de aire = 133.5 Kg/ mol = 635.71 Kg/ mol 0.21 (% O2 ) N2 entrante = 635.71 Kg/ mol * 0.79 = 502.21 Kg/ mol (aire)
O2 exceso = (133.5 Kg/ mol) – (89 Kg/ mol) = 44.5 Kg/ mol
b. Humos secos ( producto) CO2 H2O O2 N2 TOTAL
Caudal molar (Kg/ mol) 38 112 44.5 502.21 696.71
(Q 1) T1 = 50°C
HORNO 2
(Q 2) T2 =125°C
% 5.45 16.08 6.39 72.08 100
(Q 3) Ts = ? Se asume que es un proceso adiabático lo cual indica que no perdida de calor. Q = 0
Aire
Q 1 + Q 2 = Q 3 ( mH2 * CpH2) * ( Ts – 323 K) + ( mO2 * CpO2) + ( mN2 * Cp N2) * (Ts -398 K) = ( mCO2* CpCO2) ( Ts-te) Asumimos una te CO2 = 298K (56 Kg/mol * 7.6 cal/mol*K) * ( Ts – 323 K) + (44.5 Kg/mol *7.3cal/mol*K) + 502.21 Kg/mol * 7 cal/mol*K) * (Ts -398 K) = ( 38 Kg/mol * 10.2 cal/mol*K) ( Ts-298) 425.6 ( Ts – 323k) + 3840.32 ( Ts – 398) = 387.6 (Ts-298K) Ts (425.5 + 3840.32 – 387.6) = - 115504.8 + 137468.8 + 1528447.36 3878.32 Ts = 1550411.36 Ts = 399.76K
PROBLEMA N°8: Un combustible cuya composición en masa es: 82% de C, 12% de H, 6% de O. Se quema con 250% de aire teórico. Se debe que en la combustión, el 90% de C reacciona formando CO2, el resto del carbono, reacciona formando CO. Calcular: a) Aire teórico y el aire real en Kg de aire/ Kg de combustible. b) El análisis gravimétrico (% en masa) de los productos.
Solución: CO2 CO H2O O2 N2
Combustible
HORNO
Aire Seco 250% exceso
a) Aire (100%) estequiométrico = ? Aire real/ Kg de combustible Base de cálculo: 1Kg de combustible
Comp. C H2 O2 total
Kg/mol
Rx
(0.82)(0.9)/12 (0.82)(0.1)/12 0.12/2 0.06/32 --------------
1C + 1O2 CO2 1C + ½ O2 CO 1H + ½ O2 H2O ----------------------
CO2 0.06 ----------------------
CO --------0.003 -----------------
O estequiomé trico 0.06 0.006 0.06 --------0.126
H2O ------------0.03 --------
O libre
----------------1.87 * 10-3 --------
Aire teórico o estequiométrico: 1C
+
0.82/12
1 O2
1 CO2
0.82/12
O entrada = Estequiométrico - O Libre O2 = 0.82/12 - 1.87*10-3 O2 = 0.07 Aire = 0.07/0.21 = 0.33 Kg/mol Aire Real:
ONeto = Oestequometrico - Olibre Oneto = 0.124 Aire = ONeto/0.21 = 0.59 Kg/mol
Airereal = (0.59) 3.5 = 2.07 Kg/mol b) Composición de productos Componentes CO2 H2O CO O2 N2 Total
Kg/mol x mol 0.06 x 44 mol 0.03 x 18 mol 0.003 x 28 mol 0.31 x 32 mol 1.51 x 28 mol --------
Calculando O2 y N2:
O2 = Oentrante - Oneto O2 = 0.21 (2.07) – 0.124 = 0.31 Kg/mol N2 = 0.79 (2.07) – 0.124 = 1.51 Kg/mol
Kg 2.64 0.54 0.08 9.92 42.28 55.46
% 4.76 0.97 0.14 17.89 76.24 100